Obtención de modelos geométricos de la arteria aorta a partir de imágenes de TAC para su posterior simulación en elementos finitos

Uno de los principales problemas médicos a la hora de tratar a un paciente que presenta enfermedades cardiovasculares como disección aórtica, aneurisma, patología bicúspide o Marfan es el riesgo de rotura de la pared arterial. Aunque existen estudios sobre el tema, todavía es necesario mejorar los métodos de predicción de ruptura y tener en cuenta la influencia de la geometría y los factores biomecánicos. De aquí surge el interés de obtener las geometrías reales para cada paciente partiendo de la reconstrucción de imágenes biomédicas. A partir de imágenes de TAC se realiza una segmentación con la que se obtienen los modelos reales para cada paciente. Luego de obtener esta geometría es necesario utilizar una malla adecuada para el análisis por elementos finitos. Será necesario para ello previamente reconstruir la geometría mediante los parches NURBS (non-uniform rational B-spline)

Efficient methodologies for system matrix modelling in iterative image reconstruction for rotating high-resolution PET

A fully 3D iterative image reconstruction algorithm has been developed for high-resolution PET cameras composed of pixelated scintillator crystal arrays and rotating planar detectors, based on the ordered subsets approach. The associated system matrix is precalculated with Monte Carlo methods that incorporate physical effects not included in analytical models, such as positron range effects and interaction of the incident gammas with the scintillator material. Custom Monte Carlo methodologies have been developed and optimized for modelling of system matrices for fast iterative image reconstruction adapted to specific scanner geometries, without redundant calculations. According to the methodology proposed here, only one-eighth of the voxels within two central transaxial slices need to be modelled in detail. The rest of the system matrix elements can be obtained with the aid of axial symmetries and redundancies, as well as in-plane symmetries within transaxial slices. Sparse matrix techniques for the non-zero system matrix elements are employed, allowing for fast execution of the image reconstruction process. This 3D image reconstruction scheme has been compared in terms of image quality to a 2D fast implementation of the OSEM algorithm combined with Fourier rebinning approaches. This work confirms the superiority of fully 3D OSEM in terms of spatial resolution, contrast recovery and noise reduction as compared to conventional 2D approaches based on rebinning schemes. At the same time it demonstrates that fully 3D methodologies can be efficiently applied to the image reconstruction problem for high-resolution rotational PET cameras by applying accurate pre-calculated system models and taking advantage of the system's symmetries

Projector Model for Efficient List-Mode Reconstruction in PET Scanners with Parallel Planar Detectors

We have developed a new projector model specifically tailored for fast list-mode tomographic reconstructions in Positron emission tomography (PET) scanners with parallel planar detectors. The model provides an accurate estimation of the probability distribution of coincidence events defined by pairs of scintillating crystals. This distribution is parameterized with 2D elliptical Gaussian functions defined in planes perpendicular to the main axis of the tube of response (TOR). The parameters of these Gaussian functions have been obtained by fitting Monte Carlo simulations that include positron range, acolinearity of gamma rays, as well as detector attenuation and scatter effects. The proposed model has been applied efficiently to list-mode reconstruction algorithms. Evaluation with Monte Carlo simulations over a rotating high resolution PET scanner indicates that this model allows to obtain better recovery to noise ratio in OSEM (ordered-subsets, expectation-maximization) reconstruction, if compared to list-mode reconstruction with symmetric circular Gaussian TOR model, and histogram-based OSEM with precalculated system matrix using Monte Carlo simulated models and symmetries

DCE@urLAB: a dynamic contrast-enhanced MRI pharmacokinetic analysis tool for preclinical data

Background DCE@urLAB is a software application for analysis of dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging data (DCE-MRI). The tool incorporates a friendly graphical user interface (GUI) to interactively select and analyze a region of interest (ROI) within the image set, taking into account the tissue concentration of the contrast agent (CA) and its effect on pixel intensity. Results Pixel-wise model-based quantitative parameters are estimated by fitting DCE-MRI data to several pharmacokinetic models using the Levenberg-Marquardt algorithm (LMA). DCE@urLAB also includes the semi-quantitative parametric and heuristic analysis approaches commonly used in practice. This software application has been programmed in the Interactive Data Language (IDL) and tested both with publicly available simulated data and preclinical studies from tumor-bearing mouse brains. Conclusions A user-friendly solution for applying pharmacokinetic and non-quantitative analysis DCE-MRI in preclinical studies has been implemented and tested. The proposed tool has been specially designed for easy selection of multi-pixel ROIs. A public release of DCE@urLAB, together with the open source code and sample datasets, is available at http://www.die.upm.es/im/archives/DCEurLAB/ webcite

Impacto de la geometría del septo en el fenómeno de succión del ventrículo derecho

El impacto del fenómeno de interdependencia ventricular en la función diastólica del VD no es bien conocido. El VD es capaz de facilitar el llenado generando presión (P) negativa al inicio de la diástole pero los mecanismos implicados en este fenómeno están aún por dilucidar. Nos propusimos analizar la contribución de las fuerzas de retroceso elástico al llenado del VD y su relación con la geometría del septo

Prone to supine surface-based registration for surgical planning in breast cancer treatment

Breast cancer is the most common invasive cancer in women worldwide. Many women with breast cancer have their malignant tumors detected before the lesions become clinically palpable. Occult lesions must be marked for the surgeon to ensure that they can be effectively resected. Image-guided wire localization (WGL) is the current standard of care for the excision of non-palpable carcinomas during breast conserving surgery. The integration of the information from multimodal imaging may be especially relevant in surgical planning as complement or an alternative to WGL. The combination of information from images in different positions is especially difficult due to large breast deformation. This work presents a system based on surface registration to localize the lesion in the operative position, starting from a prone MRI study and a surface of the patient in the supine positon. The pre-operative surface from the MRI is registered to the surface obtained in a supine position similar to the intraoperative setting. Triangular meshes have been used to model breast surface in both positions and surfaces are aligned using a Laplacian deformation with fiducials automatically obtained from 3 anatomical references. The evaluation of the methodology has been carried out in 13 cases in which a supine- CT was available achieving an average localization error of 6.7 m

Utilidad de los mapas de intensidad de señal basados en secuencias de realce tardía 3D para caracterizar el sustrato arritmogénico en pacientes con taquicardía ventricular isquémica

La escara miocárdica constituye el sustrato arritmogénico de los pacientes con TV isquémica. Los mapas de intensidad de señal (IS) obtenidos a partir de mágenes de realce tardío (RT) pueden ser una alternativa no invasiva a los mapas electroanatómicos para estudiar la arquitectura de la escara. El objetivo de este trabajo es describir las características de las escaras observadas en los pacientes (p) con TV isquémicas

Assessment of diastolic chamber properties of the right ventricle by global fitting of pressure-volume data and conformational analysis of 3D + T echocardiographic sequences

Assessment of diastolic chamber properties of the right ventricle by global fitting of pressure-volume data and conformational analysis of 3D + T echocardiographic sequence

A new PET prototype for proton therapy: comparison of data and Monte Carlo simulations

Ion beam therapy is a valuable method for the treatment of deep-seated and radio-resistant tumors thanks to the favorable depth-dose distribution characterized by the Bragg peak. Hadrontherapy facilities take advantage of the specific ion range, resulting in a highly conformal dose in the target volume, while the dose in critical organs is reduced as compared to photon therapy. The necessity to monitor the delivery precision, i.e. the ion range, is unquestionable, thus different approaches have been investigated, such as the detection of prompt photons or annihilation photons of positron emitter nuclei created during the therapeutic treatment. Based on the measurement of the induced β+ activity, our group has developed various in-beam PET prototypes: the one under test is composed by two planar detector heads, each one consisting of four modules with a total active area of 10 × 10 cm2. A single detector module is made of a LYSO crystal matrix coupled to a position sensitive photomultiplier and is read-out by dedicated frontend electronics. A preliminary data taking was performed at the Italian National Centre for Oncological Hadron Therapy (CNAO, Pavia), using proton beams in the energy range of 93–112 MeV impinging on a plastic phantom. The measured activity profiles are presented and compared with the simulated ones based on the Monte Carlo FLUKA package

Reconstrucción de imágenes de tomografía por emisión de positrones de alta resolución mediante métodos estadísticos

Esta tesis doctoral está dentro del área de investigación de tecnología de imágenes biomédicas y tiene como objetivo el desarrollo, la validación e implementación de métodos eficientes de reconstrucción estadística para obtener imágenes de calidad a partir de los datos que suministra un tomógrafo de emisión de positrones (PET, positron emission tomography) de alta resolución para pequeños animales de laboratorio. El objetivo principal ha sido la obtención de una óptima relación entre la calidad conseguida en las distribuciones volumétricas del radiofármaco y el coste computacional del proceso de reconstrucción. Las características de las cámaras consideradas, los requisitos de resolución y ruido de las imágenes, así como la velocidad requerida de ejecución del algoritmo han motivado la elección de los parámetros de diseño. También se ha tenido en cuenta que los métodos tendrán que ejecutarse sobre un equipo PC estándar, e integrarse en una consola previamente desarrollada. La matriz de sistema parametriza la respuesta del sistema de una cámara PET en los algoritmos de reconstrucción discretos. Esta matriz se ha calculado mediante técnicas de Montecarlo, ya que así se pueden incluir efectos físicos difíciles de hallar analíticamente. Se ha desarrollado una plataforma de simulación propia, optimizada para el cálculo de matrices de sistema, que resulta rápida y flexible ante cambios de los parámetros de la cámara. El código modela el rango del positrón, la no colinealidad y la penetración y dispersión en cristal. Los resultados de la simulación se almacenan en disco en formato disperso, y tras un procesamiento automático para su división en subconjuntos, se pueden utilizar de una manera eficiente por parte de los algoritmos de reconstrucción realizados. Los algoritmos se han desarrollado para adquisición 3D, y se pueden clasificar en dos clases según la dimensionalidad de la matriz de sistema: algoritmos 2D y algoritmos 3D. Los primeros emplean una matriz de sistema aproximada para reconstruir independientemente todos los planos transaxiales de la imagen volumétrica y a pesar de ofrecer una calidad de imagen inferior a los métodos 3D, resultan mucho más rápidos y por tanto son de una gran utilidad. Se aplican sobre datos adquiridos en modo 3D mediante algoritmos de reagrupamiento. Los algoritmos 3D reconstruyen unitariamente todo el volumen de la imagen mediante una matriz de sistema modelada directamente en 3D. Debido al mayor coste computacional de los algoritmos 3D, se han utilizado simetrías de rotación y reflexión en el plano transaxial y de traslación y reflexión según el eje axial para reducir el tiempo de calculo de la matriz de sistema y el espacio requerido para su almacenamiento, lo que redunda también en reconstrucciones mas rápidas. El algoritmo de reconstrucción desarrollado es de tipo OSEM (EM con subconjuntos ordenados) y se puede regularizar mediante un esquema MRP (Median root prior) de tipo generalizado. El esquema propuesto se completa con el método MXE (minimum cross entropy) con regularización mediante imagen anatómica como imagen a priori, que puede utilizarse para mejorar la calidad de la imagen en el caso de que se disponga de una imagen de CT registrada, como ocurre en sistemas híbridos PET/CT. El esquema general que se ha desarrollado no es exclusivo de ninguna cámara en particular, sino que se ha diseñado para que sea flexible y se pueda adaptar rápidamente a diferentes arquitecturas que cumplan unas determinadas especificaciones comunes a la mayoría de cámaras PET existentes. No obstante, al poder contar con datos adquiridos mediante dos cámaras concretas, los resultados presentados en este documento se circunscriben a estas arquitecturas. Los datos sintéticos obtenidos mediante plataformas de simulación de Montecarlo han replicado las geometrías reales disponibles. Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir que el modelado de una matriz de sistema con penetración en cristal mejora la calidad de la reconstrucción en términos de nivel de señal ruido y ausencia de artefactos. Además, la regularización mediante imagen anatómica registrada mejora sustancialmente la resolución en las zonas donde un gradiente anatómico coincida con un gradiente funcional